（材料加工工程专业论文）含钴超高强度钢的贝氏体、马氏体组织及其力学性能研究.pdf

摘要 摘要 本文运用光学显微镜、透射电子显微镜和材料试验机等实验手段， 研究了3 8 c r n i 2 s i2 m n 2 m o v ( 1 # 材料) 和3 8 c r n i 2 s i 2 m n 2 m o v c o ( 2 # 材料) 在 正火、等温、淬火以及淬火+ 回火状态下的贝氏体及马氏体组织形貌、形 成机理和组织结构对力学性能的影响。研究结果表明： 1 、两种钢经过9 0 0 正火后得到的组织由无碳化物下贝氏体、马氏 体以及少量残余奥氏体组成。 2 、两种钢3 2 0 等温得到的组织为下贝氏体。2 # 样品为针状下贝氏 体，1 # 样品为片状下贝氏体，前者形状较后者更清晰，尖锐，其贝氏体 转变孕育期也较后者短。 3 、贝氏体片条间及片条内有残余奥氏体的存在，在下贝氏体内发现 孪晶的存在。无论贝氏体铁素体还是奥氏体内部，均有高密度的位错存 在。下贝氏体中存在中脊线，其方向与板条轴线方向平行。 4 、淬火组织主要是由束状的板条马氏体构成，其间还有少量的片状 马氏体和残余奥氏体。在一个原奥氏体晶粒内由不同方向的板条马氏体 束组成，在一个板条马氏体内，马氏体板条大致平行，片状马氏体大小 不等。2 # 样品的马氏体中存在孪晶。 5 、样品经过4 5 0 以下温度回火得到的是以回火马氏体和残余奥氏 体为主的组织。在5 5 0 回火，材料发生再结晶，组织由碳化物和铁素体 组成。 6 、测定了淬火态板条马氏体的位向关系，在马氏体板条之间以及马 氏体与残余奥氏体母相之间存在g t 关系，即为： 1 ) a l l ( 11 0 ) m o 】a 2 5 0 _ f i l l 】m 7 、在9 0 0 正火状态下，两种材料的抗拉强度分别达到1 8 9 0 m p a 和 1 9 2 0 m p a 。硬度h r c 值分别达到4 5 8 和5 1 7 。 8 、在3 2 0 等温处理，2 # 样品的抗拉强度和硬度高于l # 样品，而冲 击韧性比后者低。c o 和m o 的协同效应使2 # 材料获得良好的强化和硬化 效果。 华南理工大学硕士学位论文 9 、两种材料经过淬火回火处理后的抗拉强度最高分别达到1 7 6 6 m p a 和1 8 7 0 m p a ，随着回火温度的升高，其抗拉强度逐渐降低，冲击韧性和硬 度降低。两种钢材在正火状态下均具有较好的综合力学性能，等温处理 后的综合力学性能更佳，已经达到超高强度钢的水平。 关键词：超高强度钢马氏体贝氏体力学性能显微组织 摘要 a bs t r a c t t h em o r p h o l o g ya n df o r m a t i o nm e c h a n i s mo fb a i n i t ea n dm a r t e n s i t e i n 3 8 c r n i 2 s i 2 m n 2 m o v ( 1 群a l l o y ) a n d3 8 c r n i 2 s i 2 m n 2 m o v c o ( 2 # a l l o y ls t e e l s u n d e rn o r m a l i z e d ，i s o t h e r m a la n dt e m p e r e dc o n d i t i o nh a v eb e e ns t u d i e db y o p t i c a l m i c r o s c o p y , t e m a n dm a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n e ，a n dt h ei n f l u e n c eo fa b o v es t r u c t u r eo n t h em e c h a n i c a l p r o p e r t yh a s b e e nf o u n d b yp r o p e r t yt e s t t h em i c r o s t r u c t u r eo fn o r m a l i z i n gs t e e lw a sc o m p o s e do fl o w e rb a i n i t e ，m a r t e n s i t e a n dam o u n to fr e t a i n e da u s t e n i t e t h em i c r o s t r u c t u r eo ft w oe x p e r i m e n t a ls t e e l s a f t e ri s o t h e r m a l l yt r e a t e da t3 2 0 。c w a sl o w e rb a i n i t e t h em o r p h o l o g yo f2 # s a m p l ew a sc l e a r e ra n ds h a r p e rt h a nt h a to fl 择 t h ei n c u b a t i o n p e r i o d o fb a i n i t et r a n s f o r m a t i o no f 2 # s a m p l e ，w h i c h w a s m a i n l y c o m p o s e d o fn e e d l e l i k eb a i n i t e ，w a ss h o r t e rt h a nt h a to f1 # ，w h i c hw a s m a i n l y c o m p o s e d o f p l a t eb a i n i t e w h i l ei s o t h e r m a l l yh o l d i n gt h es t e e lr e s u l t e di nal o w e rb a i n i t es t r u c t u r ea l s o c o n t a i n i n gas m a l lq u a n t i t y o fr e t a i n e da u s t e n i t e ，m a r t e n s i t e t h i sl o w e rb a i n i t ew a s d i f f e r e n tf r o mt h ec o n v e n t i o n a lo n ei nt i l a ti tc o n t a i n e dr e t a i n e da u s t e n i t ei nas i n g l e b a i n i t ep l a t e ，w i t ht h er e t a i n e da u s t e n i t ei nt h ef o r mo ft h ef i l m so rf l a k e se m b e d d e d b e t w e e nt h eb a i n i t ep l a t e s ，a n db e t w e e nt h es u b u n i t sf o r m e dw i t h i nap l a t ea sw e l l h i g h d e n s i t yo fd i s l o c a t i o ng e n e r a t e di nb o t ht h eb a i n i t ep l a t ea n dr e t a i n e da u s t e n i t e m i d r i b a n ds u b u n i t sw e r ef o r m e di nt h ei n t e r i o ro ft h eb a i n i t ep l a t e s t h eo r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i p s ( o r ) o fq u e n c h e dl a t hm a r t e n s i t ew a sd e t e r m i n e d b yu s i n gs o m es p e c i a l l yo r i e n t e d e l e c t r o nd i f f r a c t i o np a t t e r n s a l lm a r t e n s i t ev a r i a n t s w e r ef o u n dk e e p i n gag to r w i t ht h ea u s t e n i t em a t r i x ，a n dt h e yk e p tt h es a m eo r w i t he a c ho t h e r u n d e rt h ec o n d i t i o no f t e m p e r i n g a t4 5 0 ，t h e s a m p l e s w e r e c o m p o s e d o f t e m p e r e d m a r t e n s i t ea n dr e t a i n e da u s t e n i t e a n dw h e nt e m p e r e da t5 5 0 ，t h e m i c r o s t l u c t u r ew a s r e p l a c e db y c a r b i d ea n df e r r i t e a n du n d e rt h ec o n d i t i o no f n o r m a l i z i n gt r e a t m e n t a t9 0 0 。c ，t h et e n s i l es t r e n g t ho ft w ok i n d so fs a m p l e sc o u l d a c h i e v e d1 8 9 0 m p aa n d1 9 2 0 m p a r e s p e c t i v e l ya n d t h eh r cc o u l da c h i e v e d4 5 8a n d5 1 7 r e s p e c t i v e l y t h e h a r d n e s so f2 # s a m p l ew a sh a r d e rt h a nt h a to f1 # s a m p l e w h e ni s o t h e r m a l l yt r e a t e da t3 2 0 c 2 毒s a m p l eh a dh i g h e rt e n s i l es t r e n g t h ，h i g h e r h a r d n e s sa n dl o w e ri m p a c ts t r e n g t ht h a nt h a to fl # s a m p l e d u e t ot h ec o m b i n e da c t i o no f c oa n dm o t h e2 样a l l o yh a ds u p e rs t r e n g t ha n d h a r d n e s s m 兰童垩三奎兰翟圭主些鎏兰 b o t ho ft w oe x p e r i m e n t a ls t e e l ss h o w e dh i g ht e n s i l es t r e n g t hu n d e r q u e n c h i n ga n d t e m p e r i n gc o n d i t i o na n d t h et e n s i l es t r e n g t ho ft w ok i n d so f s a m p l e sa c h i e v e d1 7 6 6 m p a a n d1 8 7 0 m p ar e s p e c t i v e l y w i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h eh a r d n e s s t e n s i l ea n d i m p a c t s t r e n g t h d e c r e a s e d g r a d u a l l y t h ep r e f e r a b l yg o o ds y n t h e s i s m e c h a n i c a lp r o p e r t yw a so b t a i n e du n d e rt h ec o n d i t i o no fn o r m a l i z i n gt r e a t m e n t t h e s y n t h e s i sm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fe x p e r i m e n t a ls t e e l sp r o d u c e db yi s o t h e r m a lt r e a t m e n t a t 3 2 0 h a v er e a c h e d 山el e v e lo fu l t r a h i g hs t r e n g t hs t e e l k e yw o r d su l t r a h i g hs t r e n g t hs t e e l ，m a r t e n s i t e ，l o w e rb a i n i t e ，m i c r o s t r u c t u r e m e c h a n i c a lp r o p e r t y i v 学位论文原仓口性声明 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 储戳夕r 醐一舛啪 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：弘柙 年名月y 日 e t 期：m j 年占月2 日 r 二学 所簿 第一章序论 第一章绪论弟一早殖y 匕 超高强度合金钢合金化的最根本原则是满足使用需要，其包括强度、韧性 等主要性能和其他相关性能。设计合金钢，使其具有某种相关性能，如焊接性 能、机械加工性能、成型性能和经济性能等，比让其满足主要性能具有更大的 难度。因此，深入分析合金钢中各元素的作用和其成分对合金钢性能的影响， 观测和分析合金钢的精细结构，以调整其成分，改变热处理条件，达到各种所 需性能，就尤为重要1 1 1 。 1 1 超高强度钢的合金化及性能指标 1 1 1 合金化原理 超高强度钢作为主承力构件广泛应用于各类机械行业中。包括轴、齿轮、 螺栓、支撑件、壳体以及飞机起落架，火箭壳体、战车装甲、炮身等。其要求 性能十分苛刻，失效机制也各不相同。长期使用经验和使用结果表明，轴类零 件使用中的受力情况主要包括交变扭转应力、传递扭矩、拉压应力、冲击、磨 损以及振动应力等，其失效机制包括疲劳、过载、冲击、断裂和磨损等；齿轮 类零件承受交变弯曲应力、冲击应力还有磨损和振动应力等，其失效机制包括 接触疲劳、疲劳和磨损等：螺栓零件属于带缺1 ：3 件，在高应力集中下工作，主 要承受弯曲、剪切、冲击和疲劳，还有蠕变、松弛等应力，其失效机制包括拉 断、疲劳等；至于起落架零件更是受力复杂，包括拉、压、弯、扭、冲击、腐 蚀等各种应力。其失效机制包括疲劳、低应力脆断等；壳体零件在各向应力下 工作，对材料还有各种特殊性能要求n 】。 因此，在超高强度合金钢的合金化过程中，必须充分运用强韧化的有关理 论，综合实践中得出的各种热处理强化方法，以满足工程构件或用户提出的各 项性能指标。这些性能受控于成分，内部显微组织、杂质和缺陷、表面组织和 应理状态等，其中主要是成分和组织在很大程度上控制着所有组织敏感性能。 1 1 2 超高强度钢的性能指标 用户对超高强度钢的要求主要包括： 1 、强度：高强度包括拉伸强度和屈服强度，是减重设计零件的基础，需 求已超过2 0 0 0m p a 。 2 、塑性和韧性：塑性是超高强度钢的最重要性能之一。一般地说，随拉 华南理工大学硕士学位论文 _ _ ii i i i i i i _ _ 1 日 伸强度提高，塑憔和延伸率降低。戳而，强度水平的提高受翻塑性需求的箭约。 塑性降低还导致缺日敏懑懂增翻。塑性寇括级、横向塑经，对熏要承力构件应 一并要求。提高塑惶的最重要方法是提高纯度，洚低s 、p 等杂质含量，蜀交 形静硫化物夹杂沿交形流线方蠢 率长，剧燕缝伤害横向塑性。怒高强度钢登矮 采溺诸螽电渣、”粪空重熔以及其它多次、离缝度工艺熔炼。 翻性寇攒冲击秘性、凝裂耘性等，也是怒高强度钢瓣最重要矬能，它嬲琏 控 聿强度提高两辫低并随纯洁艘提嵩而大为改善。 3 、可焊性：对要求焊接的零 孛，钢的可焊性显得很重要。强度愈裹，对 氢脆惑敏感。所以瘦选用尽可能减少氨含量的焊接方法。 4 、抗疲劳性能；许多应用都要求良好的抗疲劳性熊，但是，各种冶金因 素对疲劳性能的影响尚未十分渣楚。高纯洁度对抗疲劳有益，要求高抗疲劳性 能的超高强度钢中应保持低的s i 含量。 5 、抗应力腐蚀性能：强度越淹对应力腐蚀产生的缺口越敏感。电镀和酸 蚀还将引起氢脆。 超高强度钢的应用中强调高强度和高屈服，强度比、良好的塑性韧性结合 以及抗疲劳、抗腐蚀性能等。 1 2 合金元素对超高强度钢组织性能的影响 在超高强度钢合金化中，合金元素主要有碳、硅、铬、镍、铝、钒、锰和 钴等。 碳的主甏作用楚用以获褥超高强度。虽然低合金怒高强魔钢采餍低滏圈 火，德仍然需要保持含碳量o 3 0 4 ，这骜碳在马氏体串弓| 起阉隙潮溶强健 而达掰超高强度。低温圈火时，铁骂氏体中莛格沉淀出e 一碳纯物，但并朱弓| 怒强度的再升高。增加含碳量几乎伤害强度以外黥所有性畿，所以在保涯强痰 前提下应该尽可能降低箕含量。低瀑疆火对禽碳量0 2 一0 5 鹣低合金钢孛， 拉 率强度与碳的霪羹吾分含量一般保持魏下斌l 1 ) 麴线性关系： o b ( m p a ) = 2 9 4 0 c + 8 2 0 ( 1 - 1 ) 锻主要用以提离、淬透性，稍提毫硬度、强度鞠韧性，对抗腐蚀有益。 镰主要用以提裹滓透性，压低m s 点，增加a 体形成倾向，改善低s i 溺 韧性。n i 是蓑遍认可的提高冲击韧性元素，通过对化学成分的影响两增加a f e 基体抗鳃理能力运提高基体的本锻韧性。 钼主要用以提赢淬透性，固溶强化f 体，形成稳定的碳化物，细化晶粒。 钒增加滓透性，溶入f 体中有强化作用，形成稳定碳化物，细化晶粒。锰是强 增加滓透性元素，对f 体有强化作用。 2 第一章序论 硅在低合金超高强度钢中显示出突出重要的作用，其优良作用的发现导致 了低合金超高强度钢达到更高强度水平和更新换代。其主要是通过对马氏体回 火的作用、对力学性能的作用和对应力腐蚀开裂的作用表现出来的。 钴主要是控制马氏体位错亚结构回复，保持马氏体板条、促进形成微小弥 散m 2 c 沉淀，产生固溶强化，提高钢的硬度和屈服强度。研究表明1 3 1 ，c o 在 合金中强化n i 的作用，c o 还降低c r 在f e 3 c 的稳定性，增加c 在基体中的活 性，而f e 3 c 的稳定性降低和回火前期的回溶，为形成m z c 提供了足够的c ， 增加了m 2 c 的弥散度。 1 3 关于贝氏体相变的研究要点 r o b e r t s o n ( 1 9 2 9 年) 以及d a v e n p o r t 和b a i n f 4 a ( 1 9 3 0 年) 首先发现钢在 中温相变的产物具有独特的组织形态，当时称为针状屈氏体。b a i n 及其合作者 于1 9 3 9 年，在美国联邦钢公司的k e a r n y 实验室( 后改称b a i n 实验室) 第一 次正式印成放大一千倍的贝氏体显微组织照片。直至多年以后( 四十年代下叶 至五十年代初) ，为了纪念e c b a i n 的功绩，才将奥氏体在珠光体温度以下， 马氏体成形温度以上，经等温或连续冷却分解所形成的组织，命名为贝氏体以 代替屈氏体的旧名。当时在光学显微镜下见到钢中下贝氏体组织酷似中、高碳 钢中回火马氏体组织，认为贝氏体是由马氏体经等温回火后产物。钢件经贝氏 体等温淬火，可以增加韧性，减少变形和裂纹m 。四十年代后期空冷贝氏体钢 的问世，促使钢中贝氏体相变研究蓬勃发展，从贝氏体的形态、相变动力学、 晶体学和热力学诸方面进行不少工作，进而对贝氏体的形成，提出了多种机制， 但至今尚无统一的认识m 。在贝氏体相变的本质研究上存在较大的学术分歧， 其争论的焦点是：贝氏体相变氏按照类似马氏体相变的切变方式进行，还是象 一般的扩散型相变那样通过单个原子的热扩散方式进行n ，。 1 3 1 切变理论的主要内容 柯俊 8 1 等首先观察到贝氏体相变进行时，在试样抛光的自由表面，已相交 区和未相变区之间产生表面浮突，浮突的类型和马氏体相变时所伴随的浮突相 同。均属不变平面应变型。因而认为贝氏体铁素体长大方式可能与马氏体类似， 按切变方式进行。随后，c h r i s t i a n ，o b l a c k ，h e h e m a n n 等发展了该理论。我国学 者康沫狂等也支持该理论m 。 切变理论的主要观点是m ：相变初期，在过冷奥氏体内某些贫碳区域，等 温温度低于临界切变温度t o ，因而奥氏体可以通过原子队列式协调位移完成由 华南理王大学硕士学位论文 面心立方至体心立方( 或体心芷方) 的点阵切交转交，资氐体铁索体首先转变 成核。灸氏体碳纯物切变形核籍，将借助荚格( 或半共格) 界箍的某貉可滑动 区静协调迁移迸行窃交长大。蠢瑟可见，置换鳌琢子的点酪锈变过程是控稍炎 氏体铁素体长大动力学的主要闵素。 襁对碳在哭氏体铁索体长大：l 建程中静行为，切变学滠内帮存在薅种鑫擘躐 点：荬一渊认失，垂手在哭氏抟椽变区域逡，贝氏钵耀变驱磁力( 包摇形核秘 长大) 缀大，毽褥零换型原子豹点阵重组可以通过点阵切交熬方式进行。其甥 变速度高于碳在a 或y 相内静扩教速度，导致碳在新生贝氏体铁索体内过饱 和。即在贝氏体楣交过程中，羰原子不发生任倪扩散。另一弛观点l ，1 认为：尽 管贝氏体铁索抟髟成过程的实斌是置换原子的点阵切变重缎过程，但在铁素体 点阵黧组的同时，伴随着碳原予的扩散。甚至碳原子的扩散速度( 后者取决于 等湿瀑度和合金成分) 直接决定贝氏体的组织形态。郾：由于楣邻铁素体间残 余奥氏体内碳含量的逐渐增加，因而导致碳化物可能在铁素体片间析出，形成 典型的上贝氏体组织。温度较低时，碳的扩散速度较慢，只有少量的碳扩散进 入奥氏体内，而大量的碳过饱和进入贝氏体铁素体内，在等温或者随后的冷却 过程中，再以碳化物的形式析出，从而形成碳化物存在于下贝氏体铁素体内部 的典型的下贝氏体组织。 1 3 2 扩散控制台阶长大理论的主要内容 1 9 6 2 年，a a r o n s o n l l o 】首次将适用于气，固、液，固相变酶台阶长大机制雩l 入 固态桷交。该理论认为；贝氏体片觚母褶析出的时候，矮宽面存奁可长大的台 阶，称为生长台阶。台阶的台谣其有半共格髓，台阶酌狯瑟其有菲共格後。半 共格藕性的台西由结构台阶、不适配补偿位错帮共格区组成。逶常情况下，共 格界瑟无法进幸亍扩散迁移，菲共格界面的界瑟能较高，在逶当温度条件下，念 阶阶稀将以扩散方式进行侧商迁移。该避程黪实矮楚置换暇予豹热激活迂移过 程。赉姥冒冤，尽管台除除瑟蠢积只楚占整个相秀瑟酶缀少部分，但宅豹存凌 确实扩散控制台除长大机制熬必要条件。 1 3 3 关于哭氏体相变的其他学术观点 贸氏体相变领域，除较有影响并占有主导地位的切变及扩散控制台阶长大 理论之外，还存在其他观点。其主要特征是尽力调和切变及扩散之问的对立看 法，因两可以称为中间观点。中间观点的主要实验事实有：上下贝氏体不仅在 晶体学、组织形态、动力学等方面有较大的差别，而且贝氏体相变的驱动力灌 4 第一章序论 别也很大。因而提出，上下贝氏体可以通过不同的相变机制进行。即相变温度 较高时，贝氏体按照扩散机制进行；相变温度较低时，即接近m s 温度时，贝 氏体铁素体切变长大。此外，还有学者m ，认为：魏氏体铁索体、上贝氏体、 下贝氏体和板条马氏体是过冷奥氏体连续分解的产物。 1 3 4 关于贝氏体相变的争论焦点及主要分歧 历史上，贝氏体相变切变、扩散两大学派曾进行多次的学术争论，这种争 论迄今为止仍在进行。争论内容几乎涉及贝氏体相变的各个方面。主要包括： 贝氏体定义、铁素体长大机制、碳化物来源、魏氏组织铁素体的楔形状态、魏 氏组织铁素体奥氏体的界面结构、界面迁移机制、表面浮突、溶质拖曳及类拖 曳效应和台阶机制模型等。 l 、贝氏体的定义 关于贝氏体的定义，目前主要存在以下三种：显微组织定义( g m d ) 、相 变整体动力学( o r k ) 和表面浮突。 显微组织定义( g m d ) 基于相变机制考虑，认为贝氏体是铁素体和碳化物 组成的非成片共析分解产物。最早的研究者认为，贝氏体由魏氏体铁素体组织 及其内部存在的必不可少的碳化物组成。随后，该理论被发展成为：共析相变 过程形成的任何非成片产物，即贝氏体由析出相a 及b 相组成。二者协调长大 成珠光体，竞争长大演化成贝氏体。 相变整体动力学( o r k ) 定义基于过冷奥氏体转变的c 曲线的形态认为 1 6 1 ： 贝氏体相变具有自己独立的c 曲线，通常在共析转变温度以下、马氏体转变温 度以上( 甚至以下) 进行。贝氏体相变为变温相变，其c 曲线的上限温度被定 义为b s 温度，接近b s 温度时，贝氏体的转变量急剧下降，甚至相变停滞。显 然o r k 定义认为，转变不完全性是贝氏体的相变的本质特征之一。 表面浮突( s r d ) 定义将贝氏体从广义定义为马氏体转变温度以上( 甚 至以下) 形成的、在自由表面伴随不变平面应变型浮突的片状相。 2 、转变的不完全性 切变理论认为贝氏体相交按照切变方式进行。相交过程中，伴随可滑移界 面的不断推移，界面处应变能不断增加，最终导致相变驱动力低于切变所需的 最小值，贝氏体相变停滞。扩散理论认为，转变不完全性是由溶质拖曳和类拖 曳效应引起的m ，。 3 、表面浮突效应的特征及实质 表面浮突效应被认为是马氏体转变的最主要特征之一。但是，并非所有伴 随表面浮突效应的相变都是马氏体相变。马氏体相变伴随的表面浮突必须为不 5 华南理工大学硕士学位论文 变平面应变型( i p s ) 。并且完全满足马氏体相变晶体学表象理论( p t m c ) 。 但是，贝氏体相变伴随的表面浮突与马氏体相变具有较大的差别。 4 、相变产物晶体学 根据不同的文献n “，所报道的相变产物的晶体学差异表明，下贝氏体的碳化 物和回火马氏体的碳化物不同，前者与基体之间具有无理位相关系。 5 、贝氏体铁素体的初始碳含量 贝氏体铁素体的基本碳含量也是扩散与切变两大学派所争论的焦点之一。 因为贝氏体铁素体的初始碳含量与其形成机制密切相关。但是有结果表明m ， 贝氏体铁素体含有过饱和碳。而又有文献r 7 ，称：上贝氏体铁素体中碳含量接近 热力学平衡或准平衡浓度，即贝氏体铁素体并不含过饱和碳。 6 、贝氏体铁素体中脊 贝氏体铁素体中脊最早被认为与不变应变相对应，反应贝氏体相变的切变 特征。但是忽略了这样一个实验事实：马氏体中脊线通常出现在孪晶型马氏体 片条内，中脊线是最先形成的，中脊线的奥氏体晶面就作为惯习面，在中脊的 两侧可以观察到对称分布的孪晶亚结构。 7 、下贝氏体碳化物的来源及形成基理 切变理论认为1 9 1 ：与回火马氏体相似，下贝氏体中的特殊排列的碳化物析 出自过饱和铁素体片条内部。但是，前者多呈同位相、多组态魏氏体组织型交 叉分布；而后者近似与长轴呈5 5 6 0 度夹角单向平行排列。 扩散学派较系统的研究1 5 1 表明：下贝氏体碳化物可以呈现以下几种析出状 态： 1 、碳化物存在于铁素体亚单元之间的奥氏体内部，或存在于铁素体亚片 条内部；或者首先自亚片条内亚单元间的奥氏体薄膜内析出，但由于亚单元继 续长大而将碳化物包围，从而导致贝氏体碳化物包含在铁素体内部的实验现 象。 2 、碳化物在贝氏体铁素体片条宽面上巨型台阶前沿a ，y 界面y 一侧析 出，并在贝氏体基体内部长大。 3 、碳化物在铁素体片条宽面附近的残余奥氏体内部析出。 4 、碳化物在铁素体片条内部析出。 1 3 5 贝氏体的力学性能 在贝氏体转变温度范围内，随着等温温度下降，屈服强度o 。和抗拉强度o “ 逐步提高，其中a 。升高得快些。在上贝氏体区中屈强比a s o “的比值接近于珠 光体组织，一般可达0 6 0 7 ；而在下贝氏体中o s f f “可高达0 8 5 左右，接近于 6 第一章序论 回火马氏体。贝氏体铁索体是贝氏体组织的主体，它的尺寸改变对贝氏体钢的 强度有着明显的的影响。h a l l p e t c h 公式适用于说明贝氏体组织的粗细对强度 的作用。但对“有效晶粒”的理解有不同的观点。m a r d e r 和k r a u s s 建议，“有 效晶粒”可以是位错胞、铁素体板条、板条束或原始奥氏体晶粒。以往的文献 中都着重于讨论贝氏体铁素体板条粗细与强度的关系，得到的结果是：上贝氏 体铁素体板条尺寸与拉伸强度之间存在反比关系m 。上贝氏体板条尺寸是随着 形成温度的降低而减小的，相变温度越低则强度越高，有如下述关系式( 1 - 2 ) ： o y = o ，+ r y d l 挖 ( 1 - 2 ) 式中，d 代表铁素体板条宽度。近年来的研究表明，上贝氏体铁索体束的 大小与屈服强度o 。的关系同样符合h a l l p e t c h 公式。 下贝氏体强度的变化也与其铁素体片尺寸有关，而铁素铁片尺寸又与原奥 氏体晶粒尺寸相关，所以对于下贝氏体来说，其强化效果主要受原奥氏体晶粒 的尺寸的影响。 碳化物是贝氏体组织的另一个组成相，它对贝氏体的强度亦有重要影响。 改变碳化物的形态将改变它的强化效果。上贝氏体的碳化物呈条状，下贝氏体 中碳化物为粒状。碳化物形态的改变将导致其有效间距九的改变，从而引起强 度的改变。一般认为，粒子间距相当于几十个原子间距时，位错线通过粒子时 将发生明显的弯曲变形。当位错线的曲率半径相当于粒子间距时，强化效果最 大。典型上贝氏体的碳化物条间距约等于铁素体板条的宽度。典型下贝氏体碳 化物具有更小的间距，且形状近于球状。因此，下贝氏体碳化物的强化效果高 于典型下贝氏体。贝氏体碳化物、板条宽度和屈服强度之间有如式( 1 - 3 ) 所 示关系： 6 0 2 ( k g m m 2 ) = 1 5 4 卜1 2 6 + 1 1 3 d - 1 2 + o 9 8 n 4 】 ( 1 - 3 ) 上式中，d 为贝氏体铁素体板条平均宽度，n 为单位面积的碳化物数量。 冲击韧性也是衡量贝氏体性能优劣的一个重要指标。当硬度或强度相等 时，下贝氏体的a 。值一般要比回火马氏体高。例如，3 0 c r m o s i 钢在3 7 0 。c 等 温淬火，a k = 1 5 k g m c m 2 ，而5 0 0 。c 回火马氏体的a k = 7 k g m c m 2 ，二者的吼同为 1 2 7 k g m m 2 。此外，下贝氏体的a 。值比上贝氏体高。从上贝氏体到下贝氏体的 过渡在强度与形成温度的关系曲线上反映得不明显，而在a t 值与形成温度的关 系曲线上反映得较为明显。s i m n c r 钢经8 7 0 。c 奥氏体化后在不同温度等温处 理，约在3 5 00 c 以上，当组织中大部分甚至全部为上贝氏体时，a k 值就开始明 显降低，这是由上贝氏体中碳化物分布状态造成的。文献m ，认为，回火可以继 续提高下贝氏体的冲击韧性值a 。，因为回火使位错密度下降，沉淀硬化程度减 小以及铁素体晶粒尚未长大。 从组织结构来分析，下贝氏体铁索体比较细小，其内部碳化物形态与分布 7 华南理工大学硕士学位论文 方式不会给韧性带来不蘸影响，同时爨有位锗亚结构的贝氏体铁素体本身有圈 套留髓。所戳，般认为下贝氏体有趋好的断裘韧一睫。 由于下受氏体具有阮典型上煲氏体组织夔佳的强塑性配合，因诧斑现踅高 的断裂耘性俊。6 0 s i 2 m n 钢等漩淬火下的组织牵，下贝氏体铁素体针裔平行稻 交叉两种形态，在铁索体锌之耀分布衣较多静残余奥氏体，这种形态豹下捉氏 俸是裔较好鑫孽强翱惨m 】。3 0 c r m n s i n i 2 a 钢等湿淬火黠堪瑷尽吠马氏体、下殳 氏体和残余奥氏体混合缝织，磷究表明，其中戆下贝氏体对钢的韧蛙和塑性提 离起到重要豹 擘用 1 4 1 。下贝氏体对强韧性熬薅献有时是阉接的，基体钢 6 c r 4 w 2 m 0 2 v 在淬火及等瀑、淬火蜃，先辑下贝俸分割了未转变的过冷奥氏薅， 困嚣绷化了隧居形成的玛氏体，根据h a l l 。p e t c h 关系，产生细化有效龋粒作用 可以使组织强韧化”) 。 在断裂方式上，上贝氏体的断口电子金相为准解理断裂，断裂小裂面多数 是与铁素体束大小相对应的，断裂的路径受到铁索体板条柬交暴和碳化物粒子 的干扰。上贝氏体的解理断型与珠光体相似，断裂小裂面包括几个上贝氏体束， 丽下贝氏体断口则是由许多细小的准解理断面所构成，其中有的显示出黑色的 细片，这种黑片小断面楣当于组织中的铁索体片，表明下贝氏体的铁素体片为 断裂单元，铁素体片的间界起着阻碍裂缝扩展的作用 t 6 i 。在断袈过程中，疲劳 裂纹的形成取决于局部区域的应力集中程度，组织的不均匀性是造成威力集中 的重要内在原因；同时，材料的强韧性( 包括微区塑性) 直接与疲劳裂纹尖端 钝化程度有关。由于下妖氏体铁索体盼位错豫结构，以及其中碳亿物的粒状形 态和均匀分布方式，导致下贝氏体组织具有较好的强度、鏊性和稍径的配合。 1 4 选题意义和论文的主要工作 1 4 1 选蘧意义 超赢强度舍金锻会念化拣竣掇本原裂是满足使用需要，其包撼强度、韧性 等主要性能帮其传裰关性能。设诗合金钢，使其具鸯某种趣关性熊比让其满足 主要性能具鸯更大黪难发。躲焊接性能、机械加工性能、成型性熊和经济性瞧 等。羁此，深入分撰合衾钢中各元素的薅用秘其成分对合鑫钢性能的影响，观 测秘分析合金钢豹精细结毒句，以调整其成分，改变热处理条件，达到各种所鬻 性缝，就茏为重要。 材料的力学性熊跟其成分和热处理工艺联系紧密。本课题将研究在不同的 工艺条件下，含钴的3 8 c r n i 2 s i 2 m n 2 m o v c o 与不含钻的3 8 c f n i 2 s i 2 m n 2 m o v 之间的性能蒺别。同时通过对材料的微观组织和精细结构的分析，研究合金成 霉 第一章序论 分、组织、工艺和力学性能之间的联系。 另外，由于淬火态板条马氏体细小而密集，其亚结构为高密度的位错，并 且难于在实验中获得马氏体和残余奥氏体在组态上的性质，目前对板条马氏体 与残余奥氏体的位向关系已有的研究结果也不一致。板条马氏体与残余奥氏体 的位向关系，多数报道为k s 关系1 1 7 】，和n w 关系i - 。】以及g t 关系 1 9 2 02 1 ，还 有报道在同一板条束内既有k s 关系又有n w 关系的【2 2 】，罗承萍等2 0 1 通过研 究3 0 0 m 钢中的板条马氏体晶体学，得出马氏体与奥氏体为g t 取向关系。因 此，本课题将对板条马氏体和残余奥氏体的位向关系进行深入研究，确定出其位 向关系。 1 4 2 研究目标 本课题为国家自然科学基金资助项目。其研究目的是获得高强度高性能的 合金钢，探索在不同的热处理条件下合金钢的微观组织和力学性能、合金元素 对合金钢性能的影响以及贝氏体、马氏体和残余奥氏体的位向关系0 r ( o r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i p ) ，探讨贝氏体相变机制。 1 4 3 研究内容 根据本课题的研究目标，本课题的研究内容包括： 1 、材料的制备和热处理。 2 、测定材料的临界温度及成分。 3 、制定热处理工艺。 4 、金相组织观察、硬度测试。 5 、力学性能测试( 测定6 b ，0 s ，6 ，v ，眦等力学性能值) 。 6 、t e m 样品的制备及观察。 7 、综合以上的试验结果，对比分析两种钢的微观组织及力学性能，总结 出合理的热处理工艺路线。 1 4 4 技术路线与实验方案 深入研究两种不同的钢种在不同热处理条件下的力学性能和微观组织。测 定其硬度及强度指标，观察精细结构，探讨不同合金元素在不同热处理条件下 对高强度钢的性能的影响。对同一种钢种通过不同的热处理( 或同一正火处理) 生成的下贝氏体和板条马氏体与残余奥氏体的位向关系o r ( o r i e n t a t i o n 9 华南理工大学硕士学位论文 r e l a t i o n s h i p ) 进行深入研究。 1 5 本章小结 1 、介绍了高强度合金钢的研究进展及国内外的应用现状。 2 、介绍了合金钢的强化机制。 3 、介绍了国内外对贝氏体相变研究的主要观点及其主要分歧。 4 、介绍了本课题的研究内容和实验方案。 1 0 一 第二章 实验内容与实验方法 - _ 1 日1 日日l _ _ _ _ e ! 目l _ _ 自= _ l _ - i e 目_ _ _ - e ! 一_ 第二章实验内容与实验方法 2 1 材料的制备 2 1 1 材料的选择与预处理 参考高强度钢4 3 4 0 和3 0 0 m 的成分，增加合金元素含量，期望提高 钢的强度。3 0 0 m 钢的合金成分同4 3 4 0 相比只是s i 的含量由o 3 提高到 1 6 其余的未变。参考的4 3 4 0 和3 0 0 m 钢的成分如表2 1 所示： 表2 1 参考钢材的成分 t a b l e 2 - 1c h e m i s t r yo ft h er e f e r e n c es t e e l s 本研究制备3 8 c r n i 2 s i 2 m n 2 m o v ( 1 # 材料) ，增加s i 的含量到2 。0 2 5 左右，c r 、m o 的含量较4 3 4 0 提高3 0 5 0 ，m n 的含量提高一倍，达到 约0 5 ，增加v 至0 1 4 。3 8 c r n i 2 s i 2 m n 2 m o v c o ( 2 样材料) 是在1 群材 料的基础上增加c o 约4 ，目的是通过适当的淬火和等温处理，获得贝 氏体和板条马氏体组织，使钢材具有良好的力学性能。从而研究同一种 钢中的合金元素的作用、不同热处理状态下的精细结构和马氏体与残余 奥氏体的位向关系。 两种材料由广东钢铁研究所用真空电弧炉熔炼而成，并锻成咖1 6 m m 圆棒，最后退火处理。具体成分如表2 - 2 所示： 表2 - 2 试验用钢的成分 t a b l e 2 2c h e m i s t r yo ft h ee x p e r i m e n t a ls t e e l s cs im nc rn im ovspc o l # 0 3 7 2 0 41 4 51 2 31 80 5 20 1 40 0 0 20 0 1 4 2 井0 3 8 2 2 31 5 21 2 11 80 5 10 1 40 0 0 10 0 1 43 7 5 两种钢材的临界转变温度由北京钢铁研究总院测试。测得的转变温 度a 。l 、a 。3 和m s 如表2 3 所示。由表中可以看出，含c o 的2 # 样品的 m s 点比不含c o 的1 # 样品的m s 点高5 0 ，这是由于c o 能够降低点阵 l l 华南理工大学硕士学位论文 位错运动的抗力和位错与间隙元素之间的交互作用能量，从而有利于板 条马氏体的形成，提高材料的m s 点”。 表2 - 3 试验用钢的转变温度 t a b l e 2 3t r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h ee x p e r i m e n t a ls t e e l s 2 1 2 材料的热处理 参照相关文献- ：一m ：”“，以及测出的试验用钢的临界转变温度，制定 以下的热处理工艺。 表2 4 试验钢的热处理工艺 t a b l e 2 - 4 h e a t t r e a t m e n t p r o c e s s e so fe x p e r i m e n t a ls t e e l s 序号工艺 工艺参数 1止火 卒冷。 2等温以2 7 0 ，2 8 0 c 或3 2 0 c 等温，等温时间为5 - 2 5 4淬火+ 回火 ：0 5 。0 。c , ，；。0 。0 。c ，, 5 2 5 5 。0 c 6 。3 。0 0 c 回, 火3 5 1 0 至* c , 4 小4 0 时0 c ，回 丝厦至堡!一 2 2 金相组织观察及硬度测试 光学显微镜作为观察金属组织和各种材料的微观结构的手段应用极 其广泛。研究钢材内部晶体结构或者表面形貌时，虽然一般由电子衍射 装置、透射电子显微镜、扫描电子显微镜等获得晶体学的信息。但是利 用光学显微镜进行形貌观察，从材料学的角度去研究，对实验来说也是 必不可少的。 对上述所有试样制备光学金相样品，经过砂轮打磨、砂纸粗磨、细 磨、抛光、腐蚀后，在光学显微